John Yan, Chine, sawt.com

La plupart des éoliennes appartiennent à l’une des deux catégories générales suivantes : axe horizontal et axe vertical. Chacune peut être divisée en petites et grandes éoliennes.

Les éoliennes peuvent être classées à l’échelle utilitaire et à petite échelle, puis en versions à axe horizontal (HAWTs) et à axe vertical (VAWTS).

La technologie des éoliennes traditionnelles à axe horizontal (HAWT) est en développement depuis plus de cent ans. Cette technologie comprend les pales et leur fabrication, les boîtes de vitesses et leur technologie de fabrication, les dispositifs d’angle de tangage et leur technologie, etc. Les technologies sont très matures. La loi de Betz, qui définit la quantité maximale d’énergie qu’un HAWT peut extraire du vent, est basée sur un seul disque (le rotor) se déplaçant dans un espace à deux dimensions.

Quelques composants dans une éolienne conventionnelle.

1. Éoliennes à petit axe vertical

Les éoliennes à petit axe vertical diffèrent grandement du moyen au grand axe vertical?? éoliennes parce que la force motrice et la direction d’une pale sont différentes lorsqu’une pale tourne. À une certaine position, la force de la lame est grande et la direction est positive. À certaines positions, la force motrice sera plus petite et également positive. Mais à d’autres positions, la force motrice et la direction sont négatives, grandes et petites. De plus, à mesure que le diamètre du rotor augmente, les forces négatives augmentent. Ainsi, si le diamètre du rotor est agrandi, l’angle (pas) de la pale doit être réglable en temps réel. C’est ce qu’on appelle la technologie de régulation de l’angle d’attaque en temps réel.

1.1 La plupart des éoliennes à axe vertical actuelles ont trois problèmes majeurs:

1. Performances de production de faible puissance
2. Elles fonctionnent dans une plage étroite de vitesses du vent et freinent fréquemment, réduisant ainsi leur puissance de sortie

Une mauvaise stabilité en rotation raccourcit la durée de vie de la turbine.

La galerie montre la large gamme de conceptions d’axes verticaux.

1.2Résoudre les trois problèmes

Le SAWT, une conception à axe vertical, résout les trois problèmes techniques de l’industrie des éoliennes à axe vertical. Un concepteur a produit une petite éolienne verticale qui s’est vendue à plus de 4 000 unités dans environ 60 pays depuis 2007 et a utilisé des brevets pour mettre en place des barrières techniques.

1.3 Comment concevoir une bonne petite éolienne à axe vertical

1.3.1 Bien que différente d’une HAWT, la technologie de base d’une VAWT reste une structure d’éolienne avec des pales. Après avoir choisi un profil aérodynamique, il est nécessaire de calculer une orientation, un angle, une largeur et une quantité concaves car chacun de ces facteurs détermine les performances du VAWT.
Une première étape consiste donc à choisir un profil aérodynamique à basse vitesse. Une deuxième étape met l’orientation concave vers l’extérieur, une troisième étape choisit un petit angle de lame (8° fonctionne bien) et une largeur de lame appropriée. La meilleure quantité de lame est de cinq. Et puis la méthode de connexion de la lame est importante. Il est préférable d’utiliser une structure de prise pour une installation facile et une réduction des forces de traînée. Ces facteurs déterminent les performances de production d’énergie du VAWT.
1.3.2 Une turbine HAWT doit lacet – se rediriger vers le vent – mais pas le VAWT. Ainsi, les VAWTS muse utilisent la ”régulation positive de l’angle d’attaque en hauteur ». Cette fonction utilise la force centrifuge pour contrôler l’angle de la lame lorsque la vitesse de rotation dépasse la vitesse nominale.

1.3.3 Un bon moulin à vent à axe vertical doit rester stable lorsqu’il tourne. Sinon, la turbine « secouera la tête” lorsque le rotor tournera. Cela réduira la durée de vie de la turbine et causera d’autres problèmes tels que le bruit et l’usure mécanique. La meilleure solution consiste donc à utiliser une structure coaxiale pour l’éolienne et le générateur. La disposition coaxiale du moulin à vent et du générateur assure une étanchéité, une sécurité et une stabilité fiables, sans bruit mécanique, un roulement raisonnable pour le moulin à vent et une longue durée de vie utile.
1.3.4 Les éoliennes peuvent être endommagées lorsque la vitesse du vent dépasse 25 m / s. L’éolienne à axe vertical a donc besoin d’un système de freinage automatique. Lorsqu’une éolienne commence à freiner, elle doit surmonter l’inertie de rotation et la force motrice du vent. Ainsi, une bonne conception calcule le couple dans le rotor à la vitesse du vent de survie et choisit un frein à disque approprié pour cette quantité d’énergie.

2. Moyen &technologies de grands VAWT

Bien que de nombreux autres fabricants de turbines développent des VAWT moyens et grands, ils ont adopté l’approche de conception à partir de petits VAWT en agrandissant simplement proportionnellement une petite turbine pour devenir un « VAWT moyen ou grand”. Ils ne comprennent pas vraiment les caractéristiques d’un VAWT.

Il est bien connu qu’un VAWT est silencieux, sûr et n’a pas besoin d’une grande tour. Cependant, pratiquement aucun grand VAWT commercialisé n’a été lancé malgré les efforts d’innombrables ingénieurs. Les raisons sont évidentes: les problèmes d’efficacité aérodynamique, d’auto-démarrage, de stabilité structurelle et de freinage sûr restent non résolus. Les problèmes doivent être résolus pour tout type d’éolienne.

Ces trois problèmes sont résolus grâce aux technologies ”active real-time pitch attack angle regulation » et ”Truss Structure Shaft « .

2.1 Technologie de régulation active de l’angle d’attaque en tangage en temps réel

Le cœur de cette technologie consiste à ajuster l’angle des pales sur une turbine en rotation. L’appareil a été testé sur un VAWT de 1 m de haut x 1,36 m de large en soufflerie à une vitesse de vent de 2 m / s. Le couple mesuré était de 0,9 à 1 Nm à 44 tr / min. Le taux de conversion de l’énergie éolienne en énergie mécanique atteint 68%, dépassant la limite de 59,3% fixée par la loi Betz. Cela ne veut pas dire que la loi Betz est fausse. Dans cette théorie, un HAWT utilise un seul disque tournant dans un espace bidimensionnel tandis que le VAWT est une rotation de plusieurs disques dans un espace tridimensionnel. Cela rend le VAWT équivalent à deux HAWTs.

Les essais en soufflerie ont montré un couple utile à des vents de 2 m/s.

2.2 Structure en treillis pour l’arbre principal d’un grand VAWT

Le moment de flexion sur l’éolienne peut être extrêmement important lorsque le diamètre du rotor est suffisamment important. Cela signifie que l’arbre principal doit avoir un diamètre important et fort, ce qui rend la commercialisation plus difficile. Notre solution utilise une ferme creuse comme arbre principal à l’intérieur car la structure de la ferme est solide et relativement légère, répondant aux exigences de l’arbre principal sur les VAWTS moyens et grands, ainsi qu’à la demande de commercialisation.

Le potentiel du vent : le principe de Bernoulli appliqué aux voiliers

Le Vestas Sailrocket 2 a établi un record du monde de voiliers à Walvis Bay en Namibie en 2012. L’engin a atteint 64,78 nœuds (119.95 km/h) dans un vent de seulement 25 nœuds (46,3 km/h). Sa vitesse de navigation moyenne atteignait 59,23 nœuds (109,65 km/h) dans un chenal droit de 500 m. Ce voilier a été propulsé par la force de levage résultant du principe de Bernoulli.

3.1Problèmes avec les conceptions traditionnelles

Certains diront que les points douloureux de l’industrie éolienne traditionnelle incluent:

• Souvent un coût de production d’énergie élevé par rapport à l’énergie traditionnelle
• La fabrication est complexe
• De grandes pièces sont difficiles à transporter
• Une fondation qui nécessite un grand volume
  de béton et de barres d’armature.
• L’installation nécessite des grues complexes et coûteuses
• Pollution sonore
• Dommages à l’écosystème
• La pollution chimique est possible
• La haute tension génère des rayonnements électromagnétiques et des interférences

Une solution: La Super Turbine et son fonctionnement

Plus de dix ans de R&D dans l’industrie du VAWT ont conduit à la Super Turbine, un type de grande éolienne. La Super turbine, développée en 2014, a de faibles coûts de production d’énergie et une installation et une maintenance faciles. À la base se trouve une extension de la technologie de « régulation active de l’angle d’attaque en tangage en temps réel” qui a été vérifiée par des expériences. Nous pensons que cela pourrait mener à une révolution dans la grande industrie éolienne actuelle.

L’image du haut montre une disposition générale pour une Super turbine. Les images inférieures fournissent des détails.

• Pour produire de l’énergie, des centaines de pales sont déplacées le long d’une piste par des forces de portance et transmises par une chaîne pour entraîner des centaines de générateurs fixés sur la piste circulaire.
• La technologie active de régulation de l’angle de tangage en temps réel surveille la direction du vent, la vitesse et la position de chaque pale sur la piste. Ensuite, il ajuste les angles des lames pour obtenir la force de levage maximale. De cette façon, la Super Turbine peut améliorer le taux de conversion de l’énergie éolienne et permettre la génération de puissance élevée.
• Une seule Super turbine peut être conçue pour s’adapter aux conditions d’un parc éolien et aux exigences des clients. Une turbine peut être dimensionnée de 7 à 50 MW.

3.3 Les technologies vérifiées par des essais en soufflerie

La conception est une extension et une application ultérieure de la technologie de « régulation active de l’angle d’attaque en temps réel”. Sur une orbite circulaire, entraînée par le vent, les pales à différents endroits produiront la force motrice avec une magnitude et une direction différentes.
Une piste modifiée présente des avantages supplémentaires. Par exemple, lorsque la force motrice est la plus élevée, coupez la voie circulaire à cet endroit et prolongez-la en ligne droite, ce qui est un prototype de super turbine. Comme un voilier, il est le plus rapide en ligne droite.

Une super turbine peut être conçue de forme ronde, longue ou même triangulaire, mais le rayon de braquage est le même selon les conditions de terre et de vent.

Quelques détails supplémentaires pour la conception.

3.4 Caractéristiques de Super Turbine

La conception utilise les technologies matures actuelles pour toutes les pièces. Les principaux composants comprennent:

3.6 Coûts d’équipement inférieurs

• Les super turbines utilisent des technologies actuelles et matures, telles que celles pour le contrôle de mouvement, l’hydraulique, les chenilles et la puissance en mouvement. Il sera donc facile de fabriquer.
• Le coût total d’un utilisateur de Super turbine de 40 MW est de 15 millions de dollars, soit 0,38 dollar par watt.

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